ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ЗАХВАТА ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ И МАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ

ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА.. 6
1.1 ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 6
1.1.1 НАБЛЮДАТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 7
1.1.2 ФИЛЬТР КАЛМАНА 9
1.1.3 РАСШИРЕННЫЙ ФИЛЬТР КАЛМАНА 12
1.2 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА 13
1.2.1 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ 13
1.2.2 МАТРИЦА НАПРАВЛЯЮЩИХ КОСИНУСОВ 15
1.2.3 УГЛЫ ЭЙЛЕРА 16
1.2.4 КВАТЕРНИОНЫ 18
1.3 ДАТЧИКИ 21
1.3.1 АКСЕЛЕРОМЕТР 21
1.3.2 ГИРОСКОП 24
1.3.3 МАГНИТОМЕТР 28
1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ПО ДАТЧИКАМ 32
1.4.1 ОРИЕНТАЦИЯ ПО ГИРОСКОПУ 32
1.4.2 ОРИЕНТАЦИЯ ИЗ ВЕКТОРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 33
1.5 АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ПАРМАТЕРОВ ОРИЕНТАЦИИ 34
1.5.1 СТАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ 34
1.5.2 ДИНАМИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ 36
1.6 МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 41
1.7 ВАРИАЦИЯ АЛЛАНА 41
2 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
2.1 АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ 44
2.1.1 СЕНСОРЫ 44
2.1.2 СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ 47
2.1.3 ТЕСТОВЫЙ СТЕНД 49
2.2 ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ КОМПЛЕКСА 50
2.2.1 РЕАЛИЗАЦИЯ ФИЛЬТРА КАЛМАНА 51
3 КАЛИБРОВКА 57
3.1 КАЛИБРОВКА АКСЕЛЕРОМЕТРА 57
3.2 КАЛИБРОВКА ГИРОСКОПА 60
3.3 КАЛИБРОВКА МАГНИТОМЕТРА 62
4 ТЕСТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 66
4.1 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ 66
4.2 ЗАХВАТ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ A 77
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 78

Купить

В настоящее время задача определения пространственного положения частей тела человека является актуальной. Системы захвата движения находят применение в таких областях как робототехника, создание интерфейсов человек-машина, в кино индустрии и системах виртуальной реальности. Также стоит отметить важность данных систем в медицине для исследования динамики человека и создания более совершенных протезов.
Существуют различные виды систем захвата движения: механические, оптические, активные магнитные и инерциально-магнитные. Комплексы на основе инерциальных и магнитных датчиков являются относительно новыми и с применением микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков обретают огромную популярность. В отличие от других они не нуждаются в искусственных источниках и не имеют ограничений по дальности работы, обладают малыми габаритами и легкостью в использовании.
Принцип работы инерциальных систем основан на интегрировании угловых скоростей - показаний гироскопа. Однако из-за шумов и нестабильности смещения нуля при интегрировании происходит накопление ошибки. Поэтому возникает необходимость использовать дополнительные датчики такие как акселерометры и магнитометры. Задача объединения показаний трех датчиков и формирования оптимальной оценки положения объекта в пространстве успешно решается применением фильтра Калмана.
Целью данной работы является построение программно-аппаратного комплекса захвата движения человека с использованием МЭМС гироскопа, акселерометра и магнитометра.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
• Разработка системы сбора данных с датчиков на базе микроконтроллера.
• Проведение процедуры калибровки датчиков
Разработка и реализация фильтра Калмана в программном пакете MATLAB/Simulink
• Построение тестового стенда и проведение на нем экспериментов по оценке параметров полученной системы
• Реализация в MATLAB/Simulink модуля 3D визуализации данных о движении человека
Данная работа состоит из введения, четырех разделов основной части, заключения, приложения и списка литературы.
В первом разделе изложены теоретические и технические основы, необходимые для определения пространственного положения объекта.
Во втором разделе подробно описана программно-аппаратная реализация разработанной системы с необходимыми иллюстрациями и таблицами.
Третий раздел посвящен такой важной задаче как калибровка датчиков. Дана информация о методологии и особенностях калибровки применяемых датчиков.
В последнем разделе работы подробно описана процедура и результаты тестирования системы. Определены точностные характеристики и эффективность при натурных испытаниях захвата движения руки человека.

Купить